一种用于量子通信单光子源的激光器高速驱动模块的制作方法

本发明涉及一种驱动电路，尤其涉及用于量子通信单光子源的激光器高速驱动模块。

背景技术：

目前，量子通信系统中使用单光子作为量子信息的载体，而半导体激光器作为单光子源的核心部件起着至关重要的作用，目前应用在量子通信领域的单光子源，其核心的激光器驱动模块普遍采用分立器件搭建或集成芯片驱动，主要包括下面三种技术方案：

1、采用运放+mosfet搭建的电流源驱动；

2、采用三极管搭建的镜像电流源电路驱动；

3、采用激光器集成驱动芯片驱动。

现有技术关于激光器的驱动的上述三个技术方案，首先采用的是运放+mosfet搭建的电流源驱动，由于目前运放无法做到高带宽，导致该驱动无法满足高速率的单光子源驱动；采用三极管搭建的镜像电流源由于分立器件存在寄生参数导致驱动带宽下降，同时分立驱动受环境影响较大，导致驱动电路稳定性差；采用集成驱动芯片驱动，目前的驱动芯片都是针对经典通信应用，驱动电流小，导致光信号消光比小，无法满足要求。

因此，现有技术无法满足高带宽、高速率、高消光比、大电流驱动的要求，无法保证量子通信单光子源光信号的质量和光谱满足要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种能够满足高带宽、高速率、高消光比、大电流驱动，保证量子通信单光子源光信号的质量和光谱满足要求的用于量子通信单光子源的激光器高速驱动模块。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种用于量子通信单光子源的激光器高速驱动模块，包括电流源驱动芯片u1以及三极管q1，电流源驱动芯片u1的输出端连接三极管q1的基极，三极管q1的集电极接激光器二极管ld的负极，激光器二极管ld的正极接电源vcc，三极管q1的发射极接地；

所述电流源驱动芯片u1将外部输入的窄脉冲电压信号转换成对应的窄脉冲电流信号输出，同时该电流信号控制三极管q1的开关，进而控制激光器二极管ld的开关。

进一步优化的，所述的电流源驱动芯片u1的最高速率达到10gbps。

进一步优化的，所述的三极管q1的截止频率达到55ghz。

进一步优化的，所述激光器高速驱动模块还包括电阻r1、r2，电流源驱动芯片u1的输出端与电阻r1、r2的一端以及三极管q1的基极连接一起，电阻r1的另一端接电源vcc，电阻r2的另一端接地。

进一步优化的，所述激光器高速驱动模块还包括电阻r3，三极管q1的集电极经过电阻r3连接激光器二极管ld的负极。

进一步优化的，电流源驱动芯片u1的in端用于窄脉冲驱动电信号输入，驱动芯片u1的set端用于设置驱动电流的大小，当输入信号为高电平，电流源驱动芯片u1的输出口处于断开状态，没有电流；当输入信号为低电平，电流源驱动芯片u1的输出口处于吸电流状态，输出端的电流is大小通过set端的输入电压vset控制，具体关系为is＝vset*k，其中k为比例系数。

进一步优化的，三极管q1的开关通过其基极电压vb控制，三极管q1的开启电压为vt，当vb<vt时，三极管q1关闭，激光器二极管ld没有光输出；当vb≥vt时，三极管q1开启，激光器二极管ld输出光信号。

进一步优化的，当输入信号为低电平，三极管q1关闭，这时需要vb<vt，由于三极管q1关闭，所以基极电流ib为0，基极电压vb满足以下关系：1)vcc-vb＝i1*r1，2)vb＝i2*r2，3)i1＝is+i2，4)is＝vset*k，其中，i1是流过电阻r1的电流，i2是流过电阻r2的电流，为了满足vb<vt，通过设置vset＞vcc/(k*r1)-vt*(r1+r2)/(k*r1*r2)使三极管q1处于关闭状态；

当输入信号为高电平，电流源驱动芯片u1输出端电流is为0，这时三极管q1开启，vb＝vt，三极管q1基极电流ib满足如下关系：1)vcc-vt＝i1*r1，2)vt＝i2*r2，3)i1＝i2+ib，由以上关系得出ib＝(vcc-vt)/r1-vt/r2。

进一步优化的，当高速电流源驱动芯片u1的输入信号为高电平时，三极管q1开启，流过激光器支路上的电阻r3的电流ild＝(vcc-vld-vce)/r3，对应激光器二极管ld输出响应的光脉冲强度，其中vld为激光器二极管ld两端的电压，vce为三极管q1的集电极和发射极之间的电压。

进一步优化的，电阻r3为可调电阻。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、基于高速率电流源驱动芯片+高带宽微波三极管的技术，实现窄脉冲驱动；

2、基于电流源驱动芯片的输出电流is值可设置，控制三极管q1具有不同的开启电压，使该驱动电路稳定性更强，通过三极管q1的开关实现光脉冲输出；

3、通过设置电阻r3的阻值设置驱动电流，驱动电流可以比目前的半导体集成驱动芯片的驱动电流大；

该高速驱动模块能够更好的应用于量子通信单光子源，适应高带宽、高速率、大驱动电流要求的应用场合，保证量子通信单光子源光信号的质量和光谱满足要求。

附图说明

图1是本发明用于量子通信单光子源的激光器高速驱动模块的电路图；

图2是图1中输入电脉冲与输出光脉冲对应关系图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图1，本发明用于量子通信单光子源的激光器高速驱动模块包括电流源驱动芯片u1以及三极管q1。电流源驱动芯片u1的输出端连接三极管q1的基极，三极管q1的集电极接激光器二极管ld的负极，激光器二极管ld的正极接电源vcc，三极管q1的发射极接地。

所述电流源驱动芯片u1将外部输入的窄脉冲电压信号转换成对应的窄脉冲电流信号输出，同时该电流信号控制三极管q1的开关，从而控制激光器二极管ld的开关。

电流源驱动芯片u1的in端用于窄脉冲驱动电信号输入，驱动芯片u1的set端用于设置驱动电流的大小。

作为更具体的实施例，所述的激光器高速驱动模块还包括电阻r1、r2。电流源驱动芯片u1的输出端与电阻r1、r2的一端以及三极管q1的基极连接一起，电阻r1的另一端接电源vcc，电阻r2的另一端接地。

作为更具体的实施例，所述的激光器高速驱动模块还包括电阻r3，三极管q1的集电极经过电阻r3连接激光器二极管ld的负极。

所述的电流源驱动芯片u1的最高速率可以达到10gbps，该芯片内部包括一个可调电流源，当输入信号为高电平，电流源驱动芯片u1的输出口处于断开状态，没有电流；当输入信号为低电平，电流源驱动芯片u1的输出口处于吸电流状态，输出端的电流is大小可以通过set端的输入电压vset控制，具体关系为is＝vset*k，其中k为比例系数，针对不同的电流源驱动芯片u1，芯片手册上给出了具体的k值。

所述的三极管q1的截止频率可以达到55ghz，三极管q1的开关是通过其基极电压vb控制的，基极电压vb的大小由外部的偏置电阻r1、r2以及电流源驱动芯片u1的输出端的电流is大小决定，三极管q1的开启电压为vt，当vb<vt时，三极管q1关闭，激光器二极管ld没有光输出；当vb≥vt时，三极管q1开启，激光器二极管ld输出光信号。

请同时参阅图2，进一步的，当输入信号vin为低电平，三极管q1关闭，这时需要vb<vt，由于三极管q1关闭，所以基极电流ib为0，基极电压vb满足以下关系：1)vcc-vb＝i1*r1，2)vb＝i2*r2，3)i1＝is+i2，4)is＝vset*k，其中，i1是流过电阻r1的电流，i2是流过电阻r2的电流，为了满足vb<vt，结合上述关系可得，通过设置vset＞vcc/(k*r1)-vt*(r1+r2)/(k*r1*r2)使vb<vt，从而使三极管q1处于关闭状态，通过设置vset控制电流源驱动芯片u1输出端的电流is，使得当输入信号vin为低电平时，三极管q1关闭，同时由于vset可设置，这样对于不同的三极管具有不同的vt，可以设置不同的vset值，使该驱动电路稳定性更强。

进一步的，当输入信号vin为高电平，电流源驱动芯片u1输出端电流is为0，这时三极管q1开启，vb＝vt，三极管q1基极电流ib满足如下关系：1)vcc-vt＝i1*r1，2)vt＝i2*r2，3)i1＝i2+ib，由以上关系得出ib＝(vcc-vt)/r1-vt/r2。

激光器二极管ld输出光强由流过其所在支路上电阻r3的电流ild决定，当电流源驱动芯片u1的输入信号vin为高电平时，三极管q1开启，流过激光器支路上的电阻r3的电流为：ild＝(vcc-vld-vce)/r3，vld为激光器二极管ld两端的电压，vce为三极管q1集电极和发射极之间的电压，对应激光器二极管ld输出响应的光脉冲强度，由于电压vcc和电阻r3都是可调的，所以电流ild可以比目前的半导体集成驱动芯片的驱动电流大。

具体的，电流源驱动芯片u1速率为10gbps，三极管q1采用的是低噪高增益的微波三极管，截止频率为55ghz，该驱动电路能够适应高带宽、高速率、大驱动电流要求的应用场合。

总之，本发明基于高速率电流源驱动芯片+高带宽微波三极管，能够更好的应用于量子通信单光子源，作为半导体激光器的驱动模块。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。